Mindsker magnetismen af ​​metalliske kernepartikler med en metal-organisk ramme skal

Overflademinedrift for sjældne jordarter, der bruges i smartphones og vindmøller, er vanskelig og sjældent udført i USA. Forskere ville vide, om de kunne trække i metallerne, til stede på sporniveauer, fra geotermiske saltlage ved hjælp af magnetiske partikler. Partiklerne, indpakket i en molekylær rammeskal kendt som en metal-organisk ramme, eller MOF, skal let fange metallerne og lade resten flyde forbi. Imidlertid, holdet ledet af Pete McGrail ved Pacific Northwest National Laboratory fandt magnetstyrken faldet med 70 procent, efter at MOF -skallen blev dannet.

Anvendelsen af ​​MOF'er kan muliggøre separering af yttrium, skandium, og andre elementer fra saltvand fra geotermiske kilder, produceret vand fra olie- og gasfelter, eller affald såsom flyveaske. "Disse elementer har mange anvendelser - petroleumraffinering, computerskærme, magneter i vindmøller, "sagde Praveen Thallapally, materialedesignet fører til undersøgelsen. "Lige nu, 99 procent af disse sjældne jordarter er importeret til USA "

Den grundlæggende viden opnået fra denne forskning viser, hvorfor denne MOF påvirkede magnetstyrken så meget og giver indsigt i metoder til at undgå disse problemer.

Forskere begyndte med en MOF kaldet Fe3O4@MIL-101-SO3. Den indeholder chromioner forbundet med organiske ligander. Synteseprocessen danner MOF-skallen ved en molekylær selvsamlingsproces, hvor MOF opbygger et lag omkring magnetitkernepartiklerne. Forskere forventede, at skallen ville have ringe indflydelse på partiklernes magnetiske styrke, men fandt, at den faldt med 70 procent.

"Vi ville finde ud af hvorfor, sagde Thallapally. Teorier florerede, men ingen havde samlet materialerne, ekspertise, og instrumentering til endegyldigt at bevise, hvad der skete.

De brugte billeddannelsesmuligheder på EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på PNNL. Specifikt, de brugte scanningselektron og transmissionselektronmikroskopi til at studere MOF -skallen. De fandt ud af, at partiklerne steg som forventet. Dette betød, at problemet ikke var magnetitpartiklerne, der opløses i de væsker, der blev brugt under syntesen, en fælles teori.

Næste, de brugte også 57Fe-Mössbauer spektroskopi til at studere oxidationstilstanden af ​​metalkernen. De fandt en større mængde oxideret jern jern end forventet. Graver yderligere ind med atomprobe tomografi, teamet fandt ud af, at krom havde sneget sig inde i jernkernerne. De opnåede flere detaljer om kromoxidationstilstanden ved hjælp af røntgenabsorptionsfinstrukturspektroskopi ved den avancerede lyskilde, en DOE Office of Science brugerfacilitet på Lawrence Berkeley National Laboratory.

Til sidst, teamet viste, at krom trængte ind i porerne i jernpartiklerne og blev reduceret ved at fange en elektron fra jernet og dermed oxidere det. Magnetitens magnetiske styrke bestemmes stærkt af mængden af ​​jern i forhold til jern (oxideret) jern i materialet. Jernoxidationen forringede således de magnetiske egenskaber. Disse grundlæggende indsigter vil gøre det muligt for materialevidenskabelige forskere at justere MOF-kemien for at forhindre uønskede oxidationsreduktionsreaktioner og bedre bevare kerneskalsmaterialets magnetiske egenskaber.